無鉛焊接裝配的基本工藝包括：a. 無鉛PCB制造工藝；b. 在焊錫膏中應(yīng)用的96.5Sn/3.5Ag和95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu共晶和近似共晶合金系統(tǒng)；c. 用于波峰焊應(yīng)用的99.3Sn/0.7Cu共晶合金系統(tǒng)；d. 用于手工焊接的99.3Sn/0.7Cu合金系統(tǒng)。盡管這些都是可行工藝，但具體實施起來還存在幾個大問題，如原料成本仍然高于標(biāo)準(zhǔn)Sn/Pb工藝、對濕潤度的限制有所增加、要求在波峰焊工藝中保持惰性空氣狀態(tài)(要有足量氮氣)以及可能將回流焊溫度升到極限溫度范圍(235～245℃之間)而提高了對各種元件的熱性要求等等。

        就無鉛替代物而言，現(xiàn)在并沒有一套獲得普遍認(rèn)可的規(guī)范，經(jīng)過與該領(lǐng)域眾多專業(yè)人士的多次討論，我們得出下面一些技術(shù)和應(yīng)用要求：

1. 金屬價格 許多裝配廠商都要求無鉛合金的價格不能高于63Sn/37Pb，但不幸的是現(xiàn)有的所有無鉛替代物成本都比63Sn/37Pb高出至少35%以上。在選擇無鉛焊條和焊錫絲時，金屬成本是其中*重要的因素；而在制作焊錫膏時，由于技術(shù)成本在總體制造成本中所占比例相對較高，所以對金屬的價格還不那么敏感。

    

2. 熔點 大多數(shù)裝配廠家(不是所有)都要求固相溫度*小為150℃，以便滿足電子設(shè)備的工作溫度要求,*高液相溫度則視具體應(yīng)用而定。

   波峰焊用焊條：為了成功實施波峰焊，液相溫度應(yīng)低于爐溫260℃。

   手工/機(jī)器焊接用焊錫絲：液相溫度應(yīng)低于烙鐵頭工作溫度345℃。

   焊錫膏：液相溫度應(yīng)低于回流焊溫度250℃。對現(xiàn)有許多回流焊爐而言，該溫度是實用溫度的極限值。許多工程師要求*高回流焊溫度應(yīng)低于225～230℃，然而現(xiàn)在沒有一種可行的方案來滿足這種要求。人們普遍認(rèn)為合金回流焊溫度越接近220℃效果越好，能避免出現(xiàn)較高回流焊溫度是*理想不過的，因為這樣能使元件的受損程度降到*低，*大限度減小對特殊元件的要求，同時還能將電路板變色和發(fā)生翹曲的程度降到*低，并避免焊盤和導(dǎo)線過度氧化。

   

3. 導(dǎo)電性好 這是電子連接的基本要求。

    

4. 導(dǎo)熱性好 為了能散發(fā)熱能，合金必須具備快速傳熱能力。

    

5. 較小固液共存溫度范圍 非共晶合金會在介于液相溫度和固相溫度之間的某一溫度范圍內(nèi)凝固，大多數(shù)冶金專家建議將此溫度范圍控制在10℃以內(nèi)，以便形成良好的焊點，減少缺陷。如果合金凝固溫度范圍較寬，則有可能會發(fā)生焊點開裂，使設(shè)備過早損壞。

    

6. 低毒性 合金及其成分必須無毒，所以此項要求將鎘、鉈和汞排除在考慮范圍之外；有些人也要求不能采用有毒物質(zhì)所提煉的副產(chǎn)品，因而又將鉍排除在外，因為鉍主要來源于鉛提煉的副產(chǎn)品。

    

7. 具有良好的可焊性 在現(xiàn)有設(shè)備和免清洗型助焊劑條件下該合金應(yīng)具備充分的潤濕度，能夠與常規(guī)免清洗焊劑一起使用。由于對波峰進(jìn)行惰性處理的成本不太高，因此可以接受波峰焊加惰性環(huán)境的使用條件要求；但就SMT回流焊而言，合金*好要具備在空氣下進(jìn)行回流焊的能力，因為對回流焊爐進(jìn)行惰性處理成本較高。

    

8. 良好的物理特性(強(qiáng)度、拉伸度、疲勞度等) 合金必須能夠提供63Sn/37Pb所能達(dá)到的機(jī)械強(qiáng)度和可靠性，而且不會在通孔器件上出現(xiàn)突起的角焊縫(特別是對固液共存溫度范圍較大的合金)。

    

9. 生產(chǎn)可重復(fù)性/熔點一致性 電子裝配工藝是一種大批量制造工藝，要求其重復(fù)性和一致性都保持較高的水平，如果某些合金的成分不能在大批量條件下重復(fù)制造，或者其熔點在批量生產(chǎn)時由于成分變化而發(fā)生較大變化，便不能給予考慮。3種以上成分構(gòu)成的合金往往會發(fā)生分離或成分變化，使得熔點不能保持穩(wěn)定，合金的復(fù)雜程度越高，其發(fā)生變化的可能性就越大。

    

10. 焊點外觀 焊點的外觀應(yīng)與錫/鉛焊料接近，雖然這并非技術(shù)性要求，但卻是接受和實施替代方案的實際需要。

     

11. 供貨能力 當(dāng)試圖為業(yè)界找出某種解決方案時，一定要考慮材料是否有充足的供貨能力。從技術(shù)的角度而言，銦是一種相當(dāng)特別的材料，但是如果考慮全球范圍內(nèi)銦的供貨能力，人們很快就會將它徹底排除在考慮范圍之外。

    另外業(yè)界可能更青睞標(biāo)準(zhǔn)合金系統(tǒng)而不愿選專用系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)合金的獲取渠道比較寬，這樣價格會比較有競爭性，而專用合金的供應(yīng)渠道則可能受到限制，因此材料價格會大幅提高。

     

12. 與鉛的兼容性 由于短期之內(nèi)不會立刻**轉(zhuǎn)型為無鉛系統(tǒng)，所以鉛可能仍會用在某些元件的端子或印刷電路板焊盤上。有些含鉛合金熔點非常低，會降低連接的強(qiáng)度，如某種鉍/錫/鉛合金的熔點只有96℃，使得焊接強(qiáng)度大為降低。

金屬及合金選擇

       在各種候選無鉛合金中，錫(Sn)都被用作基底金屬，因為它成本很低，貨源充足，并具備理想的物理特性，如導(dǎo)電/導(dǎo)熱性和潤濕性，同時它也是63Sn/37Pb合金的基底金屬。通常與錫配合使用的其它金屬包括銀(Ag)、銦(In)、鋅(Zn)、銻(Sb)、銅(Cu)以及鉍(Bi)。

之所以選擇這些材料是因為它們與錫組成合金時一般會降低熔點，得到理想的機(jī)械、電氣和熱性能。表1列出了各種金屬的成本、密度、年生產(chǎn)能力和供貨方面的情況，另外在考察材料的供貨能力時，將用量因素加在一起作綜合考慮得出的結(jié)果會更加清晰，例如現(xiàn)在電子業(yè)界每年63Sn/37Pb的消耗量在4.5萬噸左右，其中北美地區(qū)用量約為1.6萬噸，此時只要北美有3%的裝配工廠采用含銦20%的錫/銦無鉛合金，其銦消耗量就將超過該金屬的全球生產(chǎn)能力。

        近5年來業(yè)界推出了一系列合金成分建議，幷且對這些無鉛替代方案進(jìn)行了評估。備選方案總數(shù)超過75個，但是主要方案則可以歸納為不到15個。面對所有候選合金，我們采用一些技術(shù)規(guī)范將選擇縮到一個較小的范圍內(nèi)便于進(jìn)行挑選。

     銦 銦可能是降低錫合金熔點的*有效成分，同時它還具有非常良好的物理和潤濕性質(zhì)，但是銦非常稀有，因此大規(guī)模應(yīng)用太過昂貴?；谶@些原因，含銦合金將被排除在進(jìn)一步考慮范圍之外。雖然銦合金可能在某些特定場合是一個比較好的選擇，但就整個業(yè)界范圍而言則不太合適，另外差分掃描熱量測定也顯示77.2Sn/20In/2.8Ag合金的熔點很低，只有114℃，所以也不太適合某些應(yīng)用。

       鋅 鋅非常便宜，幾乎與鉛的價格相同，并且隨時可以得到，同時它在降低錫合金的熔點方面也具有非常高的效率。就鋅而言，其主要缺點在于它會與氧氣迅速發(fā)生反應(yīng)，形成穩(wěn)定的氧化物，在波峰焊過程中，這種反應(yīng)的結(jié)果是產(chǎn)生大量錫渣，而更嚴(yán)重的是所形成的穩(wěn)定氧化物將導(dǎo)致潤濕性變得非常差。也許通過惰性化或特種焊劑配方可以克服這些技術(shù)障礙，但現(xiàn)在人們要求在更大的工藝范圍內(nèi)對含鋅方案進(jìn)行論證，因此鋅合金在今后考慮過程中也會被排除在外。

        鉍 鉍在降低錫合金固相溫度方面作用比較明顯，但對液相溫度卻沒有這樣的效果，因此可能會造成較大的固液共存溫度范圍，而凝固溫度范圍太大將導(dǎo)致焊腳提升。鉍具有非常好的潤濕性質(zhì)和較好的物理性質(zhì)，但鉍的主要問題是錫/鉍合金遇到鉛以后其形成的合金熔點會比較低，而在元件引腳或印刷電路板的焊盤上都會有鉛存在，錫/鉛/鉍的熔點只有96℃，很容易造成焊點斷裂。另外鉍的供貨能力可能會因鉛產(chǎn)量受到限制而下降，因為現(xiàn)在鉍主要還是從鉛的副產(chǎn)品中提煉出來，如果限制使用鉛，則鉍的產(chǎn)量將會大大減少。盡管我們也能通過直接開采獲取鉍，但這樣成本會比較高。基于這些原因，鉍合金也被排除在外。

四種和五種成分合金

       由四種或五種金屬構(gòu)成的合金為我們提供了一系列合金成分組合形式，各種可能性不勝枚舉。與雙金屬合金系統(tǒng)相比，大多數(shù)四或五金屬合金可以大幅降低固相溫度，但對降低液相溫度卻可能無所作為，因為大部分四或五金屬合金都不是共晶材料，這意味著在不同的溫度下會形成不同的金相形式，其結(jié)果就是回流焊溫度不可能比簡單雙金屬系統(tǒng)所需的低。

       另外一個問題是合金成分時常會發(fā)生變動，因此熔點也會變，這在四或五金屬合金中會經(jīng)常遇到。由三種金屬組成的合金很難在焊錫膏內(nèi)的錫粉中實現(xiàn)“同批”和“逐批”一致，在四種和五種金屬組成的合金中實現(xiàn)同樣的一致性其復(fù)雜和困難程度更大。

       所以多元合金將被排除在進(jìn)一步考慮范圍之外，除非某種多元合金成分具有比二元系統(tǒng)更好的特性。但就目前來看，業(yè)界還沒有找到哪種四或五金屬合金比二元或三元替代方案更好(無論在成本上還是性能上)。

        表2列出一些主要無鉛替代方案，以及*終選用或不選用的原因，表中包括了單位重量價格、單位體積價格(對焊錫膏而言單位體積價格更具成本意義)以及熔點等信息，這些合金按照其液相溫度遞增順序排列。現(xiàn)根據(jù)每種焊接應(yīng)用的特殊要求分別選出合適的合金。

先考慮焊條(波峰焊)和焊線(手工和機(jī)器焊接)。

        對波峰焊用焊條的要求包括：a. 能在*高260℃錫爐溫度下進(jìn)行連續(xù)焊接；b. 焊接缺陷(漏焊、橋接等)少；c. 成本盡可能低；d. 不會產(chǎn)生過多焊渣。

        結(jié)果所有選中的合金都符合波峰焊要求，但99.3Sn/0.7Cu和95Sn/5Sb合金與其它替代方案相比能夠節(jié)省更多成本。比較而言，99.3Sn/0.7Cu的液相溫度比Sn/Sb合金低13℃，因此99.3Sn/0.7Cu成為波峰焊*佳候選方案。

        手工焊用錫線的要求與上面焊條應(yīng)用非常相似，成本考慮仍然居于優(yōu)先地位，同時也要求能夠提供較好的潤濕和焊接能力。焊線用合金必須能夠很容易地拉成絲線，而且能用345～370℃的烙鐵頭進(jìn)行焊接，99.3Sn/0.7Cu合金可以滿足這些要求。

        與焊條和焊線相比，焊錫膏較少考慮合金成本，因為金屬成本在使用焊錫膏的制造流程總成本中所占比重較少，選擇焊錫膏合金的主要要**盡量降低回流焊溫度?？疾毂碇兴泻辖?，可以發(fā)現(xiàn)液相溫度*低的是95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu(熔點217～218℃)和96.5Sn/3.5Ag(熔點221℃)。

         這兩種合金都是較為合適的選擇并各具特點，相比之下Sn/Ag/Cu合金的液相溫度更低(雖然只有4℃)，而Sn/Ag合金則表現(xiàn)出更強(qiáng)的一致性和可重復(fù)制造性，并已在電子業(yè)界應(yīng)用多年，一直保持很好的可靠性。有些主要跨國公司已經(jīng)選擇共晶Sn/Ag合金進(jìn)行評估作為無鉛替代方案，大多數(shù)大型跨國公司也開始對Sn/Ag/Cu合金作初步**測試。

實測評估結(jié)果

         波峰焊評測 將99.3Sn/0.7Cu合金裝入標(biāo)準(zhǔn)Electrovert Econopak Plus波峰焊機(jī)進(jìn)行測試，這種波峰焊機(jī)配備有USI超聲波助焊劑噴涂系統(tǒng)、Vectaheat對流式預(yù)熱和“A”波CoN₂tour惰性系統(tǒng)。測試在兩種無鉛印刷電路板上進(jìn)行：帶OSP涂層的裸銅板和采用浸銀拋光的裸銅板(Alpha標(biāo)準(zhǔn))，兩種電路板都采用固態(tài)含量2%且不含VOC的免清洗助焊劑(NR300A2)。另外作為對照，將同樣的電路板在相同設(shè)備上采用相同條件進(jìn)行焊接，只是焊料用傳統(tǒng)63Sn/37Pb合金。

通過實驗可得出以下結(jié)論：

1. 如果采用99.3Sn/0.7Cu合金，則有必要對波峰焊機(jī)進(jìn)行惰性處理以確保得到適當(dāng)?shù)臐櫇穸龋恍枰獙Σǚ搴笝C(jī)或風(fēng)道進(jìn)行完全惰性處理，用CoN₂tour公司的邊界惰性焊接系統(tǒng)即已足夠。

    

2. 使用99.3Sn/0.7Cu焊接的電路板外觀與用63Sn/37Pb合金焊接的電路板沒有區(qū)別，焊點的光亮程度、焊點成型、焊盤潤濕和通孔上端上錫情況也基本一樣。

    

3. 與Sn/Pb合金相比，Sn/Cu合金的橋接現(xiàn)象較少，但由于測試的條件有限，因此對這一點還需要作更進(jìn)一步的研究。

    

4. 99.3Sn/0.7Cu合金在260℃溫度條件下焊接非常成功，在245℃條件下也沒有問題。

    

5. 采用Sn/Cu合金的幾個星期內(nèi)銅的含量沒有發(fā)生變化，之所以關(guān)注這一問題，是因為銅在錫中的溶解度很低，而且與溫度有很大關(guān)系。在大批量生產(chǎn)中，電路板的銅吸收情況與用Sn/Pb合金時相同。

         印制和回流焊評測 針對Sn/Ag和Sn/Ag/Cu合金開發(fā)了一種新的助焊劑，以便在更高回流焊溫度下得到較好的潤濕效果，因為回流焊溫度較高時(比常規(guī)回流焊溫度高20℃)要求助焊劑中的活性劑應(yīng)具備更高的熱穩(wěn)定性。另外如果在空氣中工作，回流焊溫度較高還可能使普通免清洗助焊劑變色，所以這種助焊劑對高溫要有很強(qiáng)的承受能力。在95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu合金中使用UP系列焊錫膏時，即使空氣溫度達(dá)到240℃，它也不會變?yōu)樽厣蜱晟?/p>

         UP系列焊錫膏在印刷測試中表現(xiàn)非常好，測試時采用的是MPM UP2000印刷機(jī)，印刷條件包括6mil厚激光切割網(wǎng)板、印刷速度25mm/秒、網(wǎng)板開口間距16～50mil以及接觸式印刷，焊膏印出的輪廓非常清晰且表現(xiàn)出良好的脫模性能。另外這種焊錫膏在中止印刷后(停放超過一小時)再開始使用時無需進(jìn)行攪拌，其網(wǎng)板使用壽命在8小時以上，粘性也可保持8小時。

        回流焊采用Electrovert Omniflo七溫區(qū)回焊爐，在空氣環(huán)境下進(jìn)行焊接?；睾盖€如圖1，從圖中可看出溫度在200秒時間里以近似線性的速率上升到240℃，溫度高于熔點(221℃)的時間為45秒。

得出結(jié)論如下：

1. UP系列焊錫膏95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu 88-3-M13表現(xiàn)出良好的印刷性。

    

2. 無鉛焊錫膏能提供良好的粘力且能保持足夠的時間。

    

3. 對測試板而言，95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu合金所需的240℃*高溫度是可以接受的。

    

4. 回流焊無需氮氣也能取得很好效果。

    

5. 焊點光亮度好，與標(biāo)準(zhǔn)Sn/Pb合金相同。

    

6. 助焊劑殘留物外觀(顏色及透明度)比采用Sn/Pb合金及普通助焊劑在標(biāo)準(zhǔn)熱風(fēng)回流焊(峰值溫度220℃，高于183℃的時間為45秒)后的情形好得多。

    

7. 潤濕和擴(kuò)散特性與Sn/Pb標(biāo)準(zhǔn)合金相同。

    

8. 當(dāng)使用沒有阻焊膜的裸FR-4板子時，過高的回流焊溫度會使線路板出現(xiàn)嚴(yán)重變色(變深)，淺綠色阻焊膜會使變色看起來較輕，中/深綠色阻焊膜則使變色基本上看不出來。
9. 有些元件經(jīng)高溫回流焊后會出現(xiàn)變色和氧化跡象，將這種無鉛焊料用于兩面都有表面安裝器件的電路板上時，建議在回流焊后再安裝需作波峰焊接的底面SMD器件，以免過度受熱影響可焊性。

    

10. 用UP系列96.5Sn/3.5Ag合金進(jìn)行的測試所獲結(jié)果相似，只是回流溫度提高了3～5℃。

其它特性

        選擇一種簡單普通二元合金的*大好處在于它已經(jīng)完成了大量測試且已被廣泛接受，如96.5Sn/3.5Ag合金已在某些電子領(lǐng)域應(yīng)用了很長的時間。95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu現(xiàn)正接受同樣嚴(yán)格的測試，并在一些地方顯示出非常相似的性能和優(yōu)點。

         福特汽車公司對使用Sn/Ag合金的測試板和實際電子組件進(jìn)行了熱循環(huán)試驗(-40℃～140℃)，已完成**熱疲勞測試研究，另外他們還將無鉛組件用于整車中，測試結(jié)果顯示Sn/Ag合金的可靠性與Sn/Pb合金相差無幾甚至更好。摩托羅拉公司也已經(jīng)完成了Sn/Ag和Sn/Pb合金的熱循環(huán)和振動研究，測試表明Sn/Ag合金完全合格，其它OEM廠商在各自的Sn/Ag和Sn/Ag/Cu合金研究中也得到了類似的結(jié)論。

         根據(jù)研究結(jié)果，Sn/Ag和Sn/Pb在導(dǎo)電性、表面張力、導(dǎo)熱性和熱膨脹系數(shù)等各方面所取得結(jié)果大致相當(dāng)(見表3)。

本文結(jié)論

       通過上述討論，我們可以得到一個實際可行的標(biāo)準(zhǔn)無鉛焊接工藝，其基本內(nèi)容包括：

1. 對焊錫膏應(yīng)用而言，可將95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu或96.5Sn/3.5Ag合金與UP系列助焊劑配合使用。

    

2. 對波峰焊應(yīng)用而言，焊錫條可使用99.3Sn/0.7Cu合金。

    

3. 對手工/機(jī)器焊接而言，焊錫線可使用99.3Sn/0.7Cu合金。

        雖然上述方案還未能達(dá)到研究無鉛替代方案工程師們所確定的每項目標(biāo)，但基本上能令人滿意，該方案*大限制在于96.5Sn/3.5Ag合金所要求的回流焊溫度比Sn/Pb合金的要高20～30℃，因此回流焊對元件的要求也有所提高。元器件供應(yīng)商應(yīng)與電子裝配廠密切合作以解決高溫回流焊帶來的種種問題。

        隨著新技術(shù)的發(fā)展，將來還會有更多更好的替代方案推出，這里討論的系統(tǒng)*大價值在于其它復(fù)雜系統(tǒng)可以根據(jù)它提供的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行參照比較。在考察更加復(fù)雜的系統(tǒng)之前，應(yīng)多問下面一些可以定量回答的問題：

焊錫膏

1. 新的合金系統(tǒng)是否能將回流焊溫度降至與Sn/Ag合金差不多的程度(Sn/Ag合金*低回流焊溫度為240℃，而95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu合金的*低回流焊溫度則為235℃)？

2. 與Sn/Ag或Sn/Ag/Cu合金相比，金屬和焊錫膏的成本如何？

3. 合金中各材料有沒有技術(shù)參數(shù)限制？各材料在技術(shù)參數(shù)范圍內(nèi)變化時其固相和液相溫度的變化情況如何？

焊條

1. 合金的成本如何？與Sn/Cu合金比較哪一個更貴？

2. 合金是否具有Sn/Cu合金所沒有的優(yōu)點？

為什么要采用無鉛方案？

        在談?wù)摻】岛?*問題時，人們一般考慮兩個因素——危害和危險。危害是指某物質(zhì)存在毒性以及食入、吸入或吸收后對人體的影響，危險更多是指采取正確預(yù)防措施后材料的**性或者危害發(fā)生的可能性。

       鉛是一種有毒物質(zhì)，人體吸收了過量的鉛會引起鉛中毒，攝入低劑量的鉛則可能對人的智力、神經(jīng)系統(tǒng)和生殖系統(tǒng)造成影響。在評定鉛的危險性時，通常是通過調(diào)查飲食或呼吸攝入的可能性。就電子業(yè)而言，一般正常條件下鉛不會達(dá)到使其氣化的溫度，因此這方面的危險無法定量測出，只能通過監(jiān)測確定。

        可以采用一些簡單的預(yù)防措施，包括在保養(yǎng)波峰焊錫爐和清理殘渣時戴上面罩，在有鉛區(qū)域禁止抽煙，盡可能減少在工作區(qū)攝入鉛的可能性。另外當(dāng)接觸焊錫膏、焊條、焊線等含鉛物體后，務(wù)必在吃飯、飲水和抽煙之前清洗雙手，徹底消除攝入鉛的可能途徑。

         一般地說，從鉛吸收來源來看食入鉛的危險要高于呼吸吸入，所以應(yīng)強(qiáng)調(diào)養(yǎng)成良好衛(wèi)生習(xí)慣的重要性，在含鉛的區(qū)域嚴(yán)禁飲食和抽煙以將危險降到*低。事實證明，只要采取了正確的預(yù)防措施，在工作場所使用鉛還是相對較為**的。

         既然在電子工業(yè)中使用鉛的危險如此之小，那么人們?yōu)槭裁催€在考慮徹底消除鉛的使用呢？其實主要的擔(dān)心是含鉛材料的處置問題，如印刷線路板等。之所以有這種擔(dān)心，是因為那些被作為垃圾處理的廢印刷電路板在埋入地下后，其中所含的鉛可能會從電路板滲出進(jìn)入地下水，繼而流入我們的飲用水之中。